Università degli studi di Palermo
Facoltà di Ingegneria
Corso di Studi in Ingegneria Elettrica - Polo di Caltanissetta
Programma del corso di Elettronica 2 (A.A. 2011-2012)
Crediti formativi: CFU 6
Docente: Ing. Roberto Macaluso
Il corso si propone di fornire agli studenti una preparazione di base ad ampio spettro nel campo della analisi e della progettazione di sistemi elettronici digitali. Vengono esaminati gli elementi di base di un sistema digitale dal punto di vista elettrico, trattando l'informazione come corrente o tensione. Sono previste, assieme a lezioni teoriche, una serie di esercitazioni progettuali che servendosi di data sheets di circuiti integrati commerciali, realizzati in tecnologia bipolare e CMOS, consentiranno agli studenti di impadronirsi delle metodologie per la progettazione di sistemi elettronici digitali.
Gli studenti che seguiranno il corso saranno in grado di analizzare, individuare e risolvere problematiche riguardanti la progettazione di sistemi digitali e il loro interfacciamento con l’utente attraverso sistemi analogici. Questo consentirà loro di accedere senza sforzo sia ad ambiti professionali di medio livello tecnico nel settore sia ai corsi specifici della laurea specialistica.
Il corso è strettamente correlato con i corsi di Dispositivi Elettronici, Circuiti Logici ed Elettronica Analogica ed è completato da esercitazioni progettuali.
L’esame prevede una prova orale comprendente la discussione di uno dei progetti affrontati durante il corso.
Programma dettagliato del corso
Introduzione all’elettronica digitale. Differenza tra elettronica analogica e digitale. L’integrazione monolitica. Circuiti discreti e integrati. Accenni sulla fabbricazione dei circuiti integrati: lo stato dell'arte della tecnologia CMOS e prospettive future. CMOS per image sensors: confronto con CCD. Miglioramento prestazioni: scaling e sue problematiche. Sistemi elettronici: blocchi funzionali. Livelli di operatività di un sistema: sistema, scheda, integrato e diversi livelli di astrazione. Problematiche di progettazione per i diversi livelli di astrazione. Information e power processing.
Sistemi digitali. Porte logiche fondamentali. Definizioni dei livelli logici. Rumore nei sistemi logici. Immunità al rumore. Margini di rumore. Caratteristiche dinamiche delle porte logiche. Ritardo di propagazione. Fan in e fan out.
Funzionamento in commutazione del transistore bipolare (BJT). Tempo di storage. Logica saturante e non saturante. Circuiti per commutazione non saturante. Transistore Schottky. Applicazioni del BJT come interruttore: pilotaggio di un relè di bassa potenza, pilotaggio di un altoparlante, pilotaggio di un LED.
Richiami sui MOSFET: n-MOS, p-MOS. MOSFET ad arricchimento ed a svuotamento. Definizione delle regioni di triodo, saturazione e interdizione. Il MOSFET come interruttore. Applicazioni: analog switch. Presentazione di data sheets di integrati in commercio.
Il transistore CMOS. Funzionamento statico. CMOS come interruttore. Pass transistor n e p. Livelli forti e deboli. Porta di trasmissione CMOS.
L’invertitore logico digitale in tecnologia CMOS. Caratteristica di trasferimento, soglia logica, margini di rumore, ritardo di propagazione, dissipazione di potenza statica e dinamica, prodotto ritardo-potenza, problemi di fan-out e di interconnessione. Descrizione delle proprietà e dei parametri fondamentali di un invertitore CMOS. Progetto in funzione dei parametri fisici. Stadi separatori di uscita (buffer).
Porte logiche in tecnologia CMOS. NAND e OR. Confronto in funzione dei parametri fisici: problema di occupazione di area. Metodo di sintesi di funzioni logiche implementate in logica CMOS: reti di pull-up e pull-down. Porte CMOS a più ingressi. Famiglie logiche CMOS integrate: HC, HCT, AC, ACT, AHC, AHCT, ACQ, ACTQ, LV, LVC, ALVC. Presentazione di data sheets di integrati in commercio.
Famiglie logiche DL, RTL, DTL, TTL, S-TTL, LS-TTL. Descrizione delle porte fondamentali. Stadio di uscita totem-pole. Principali caratteristiche operative dei circuiti integrati delle serie logiche avanzate. Stato dell'arte, parametri significativi. Porte logiche del tipo open collector e three state: proprietà ed applicazioni. Logica cablata (wired AND). Presentazione di data sheets di integrati in commercio.
Famiglia BiCMOS. Proprietà e vantaggi rispetto alle famiglie CMOS e TTL. Descrizione delle porte fondamentali.
Cenni sulle altre famiglie logiche: ECL, GaAs-technology.
Compatibilità e comparazione tra famiglie logiche. Circuiti di interfacciamento.
Circuiti combinatori. Decoder-encoder, decodifica BCD-7 segmenti, multiplexer/demultiplexer. Esempi ed applicazioni. Elementi visualizzatori a LED ed LCD e matrici di comando. Cenni sui dispositivi a logica programmabile (PLD). Array di OR e AND programmabili.
Sistemi logici sequenziali. Latch SR con porte NAND a CMOS, Flip-Flop SR a CMOS, FF SR a CMOS con pass transistor. FF JK, FF T, FF D. Presentazione di data sheets di integrati in commercio sia della famiglia TTL che della famiglia CMOS. Applicazione dei latch SR: circuito antirimbalzo. Pulsanti a posizione multipla.
Registri a scorrimento: S-S, S-P, P-S, P-P. Registro universale.
Circuiti di conteggio. Contatori binari asincroni: divisori di frequenza. Contatori sincroni. Contatori decadici, in codice BCD. Contatori ad anello. Contatori avanti-indietro. Presentazione di data sheets di integrati in commercio.
Circuiti multivibratori. Multivibratore astabile con porte CMOS. Multivibratore astabile comandato. Oscillatore ad anello. Circuiti monostabili: Monostabile con porte CMOS. Monostabili integrati. Presentazione dell'integrato LMC555. Applicazioni dello Schmitt trigger. NAND Schmitt trigger. Circuito di timer integrato 555 a CMOS e suo funzionamento come monostabile e astabile.
Conversione analogico-digitale e digitale-analogica. Errore di quantizzazione. Esempi di applicazione della conversione A/D. Struttura e proprietà di un circuito di campionamento e tenuta. Convertitori D/A con rete a scala a peso binario, con rete a scala R-2R. Sistemi di conversione A/D flash, con reazione a gradinata, con contatore avanti-indietro, ad approssimazioni successive, a rampa semplice, a doppia rampa. Presentazione di data sheets di integrati in commercio.
Esercitazioni progettuali.
Testi consigliati:
· Sedra-Smith: Circuiti per la Microelettronica – IV Edizione- Ingegneria 2000.
· Paolo Spirito: Elettronica digitale, McGraw-Hill, 3° Ed., 2006.
· Note ed appunti del docente distribuiti durante il corso.
· Data sheets e Note Applicative relative a dispositivi commerciali dei principali produttori di componenti.
Informazione agli studenti:
Dall'anno accademico 2012-2013, essendo stato disattivato il percorso Elettronica Industriale del corso di laurea in Ingegneria Elettrica (CL), il corso di Elettronica 2 (ex Elettronica Digitale) non sarà più obbligatorio, ma potrà essere scelto tra un gruppo consigliato di materie che consentiranno l'uscita senza debito verso la laurea magistrale in Ingegneria Elettronica - Palermo.
Si ricorda di iscriversi online e di stampare lo statino.